Напряженное состояние массива горных пород


Федеральное государственное бюджетное  учреждение науки

Институт  горного дела

Уральского  отделения Российской академии наук

(ИГД  УрО РАН)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Напряженное  состояние массива горных пород»

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель:

доктор  техн. наук.

Зубков  А.В.

 

Выполнил:

Сентябов С.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2012г.

Содержание:

1 Состояние изученности  вопроса

 

3

2 Гипотеза гидростатического сжатия

 

3

3 Гипотеза преимущественного действия  в массиве пород гравитационных сил

 

 

3

4 Гипотеза действия в массиве  наряду с гравитационными сжимающих или растягивающих тектонических сил преимущественно субгоризонтальной ориентации

 

 

 

5

5 Закономерности формирования  напряженно–деформированного состояния  массива

 

7

 

Список  литературы

 

18




 

1 Состояние изученности вопроса 

Земная кора в целом и верхняя  ее часть, как область представляющая практический интерес, в пределах которой ведутся горные работы, подвержена действию различных механических силовых полей, т. е. находится в некотором напряженном состоянии. Основными являются два независимых силовых поля: гравитационное, обусловленное действием закона всемирного тяготения Ньютона, и тектоническое, связанное с неравномерным распределением в пространстве скорости тектонических движений и как следствие скорости деформаций земной коры т. е. наличием градиента тектонических движений. Кроме того, в различных участках земной коры возможно проявление локальных силовых полей, связанных с неравномерностью тепловых потоков, порождающих дополнительные механические напряжения, действием подземных напорных вод и т. д. В сейсмически активных районах, а так же при ведении массовых взрывов возможно наложение на статические силовые поля кратковременных динамических полей, которые в ряде случаев существенно влияют на устойчивость горных конструкций.

Существуют несколько гипотез  горного давления, определяющих состояние  массивов горных пород в различных  условиях.

2 Гипотеза гидростатического сжатия выдвинута в 1878 г. швейцарским ученым А. Геймом на основе результатов наблюдения за проходкой трансальпийских туннелей. Согласно этой гипотезе, все 3 составляющие главных напряжений действующих на элемент массива в этих условиях равны между собой и не превышают сил тяжести столба налегающих пород:

 

==z-рgH=-gH,

 

где ,,z - составляющие главных напряжений, Па;

р-плотность налегающих горных пород, кг/м3;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

g - удельный вес пород, Н/м ;

Н - мощность налегающих горных пород, м.

Такое напряженное состояние характерно для жидкостей. Считается, что массив горных пород на больших глубинах (1000 м и более) находится в аналогичном состоянии.

 

3 Гипотеза  преимущественного  действия  в  массиве  пород  гравитационных  сил выдвинута А. Н. Динником и независимо от него К. Терцаги. Так на состоявшейся в апреле 1951 г. в г. Льеже (Бельгия) Международной конференции по горному давлению были заслушаны большая серия докладов и ряд выступлений ведущих специалистов по вопросам горного давления стран Западной Европы. В качестве сил, обуславливающих горное давление, все они рассматривали исключительно гравитационные силы, действующие в земной коре. Ни в докладах, ни в дискуссии не поднимался вопрос о существовании в горных массивах сил, отличных от гравитационных. Профессор Л.Доноэль (Бельгия) в "Обзоре теории горного давления" подчеркивал: "первоначальное напряжение в горных породах является результатом их веса и возрастает пропорционально глубине". Профессор Г.Шпаккелер (Германия) отмечал, что явления, происходящие в породах, управляются действием их веса. Французский ученый П.Гинар в своем сообщении о горном давлении на железных рудниках Лотарингии исходил из положения, что напряжения в массиве пород подчиняются закономерностям, определяемым гипотезой о гравитационном поле напряжений.

Аналогичных взглядов к середине 60-х  годов придерживаются известные зарубежные геомеханики: Г.Эверлинг, О.Якоби, Р.Феннер. В 20-60-е годы теоретические представления о природе горного давления на основе гравитационной гипотезы, о напряженно-деформированном состоянии верхнего слоя земной коры, о силах, обуславливающих горное давление сформулированы и советской школой геомехаников: М.Протодьяконовым, А.Динником, Л.Шевяковым, П.Цимбаревичем, В.Слесаревым, К.Руппенейтом, В.Давидянцем. Исходя из модели горной породы как дискретной среды М.Протодьяконов, еще в начале века, сформулировал применительно к определению давления на крепь горизонтальных подготовительных выработок гипотезу свода, которая нашла в свое время широкое применение в среде геомехаников и горных инженеров. Дальнейшее развитие уже на уровне знаний конца XX века гипотеза М.Протодъяконова получила в работах специалистов ИГД СО РАН (Е.Шемякина, С.Стажевского, А.Ревуженко). В конце 20-х годов А.Динник, полагая, что горные породы можно моделировать упругим телом, сформулировал теоретические основы гравитационной гипотезы и получил формулы для вычисления компонент тензора напряжений в массиве пород, а также вывел широко известную формулу о боковом распоре в условиях действия гравитационных сил. Согласно этой гипотезе, вертикальные напряжения превышают по величине горизонтальные, а последние равны между собой в различных направлениях и определяются величиной коэффициента Пуассона:

 

==z-рgH=-gH,

 

где ,,z - составляющие главных напряжений, Па;

- коэффициент бокового распора  (определяемый коэффициентом Пуассона);

р-плотность налегающих горных пород, кг/м3;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

g - удельный вес пород, Н/м3;

Н - мощность налегающих горных пород, м.

Описанные представления сводились  к выводу, что земная кора находится  в равновесном состоянии и  единственной причиной напряжений в  горных породах является гравитационная сила. Напряжения в земной коре, даже если они изменяются под действием каких-либо факторов, со временем релаксируют, выравниваются. В итоге, по мнению академика Л.Шевякова, "поле напряжений в нетронутом массиве горных пород оказывается достаточно простым". Гипотеза позволяла выполнять теоретические расчеты в практике ведения горных работ, получила развитие в научной и методической литературе по горному делу, нашла отражение в учебной литературе.

Таким образом, вопрос о силах, обуславливающих  горное давление и напряженное состояние  верхних слоев литосферы, казался  ясным и очевидным - это гравитационные силы, вес горных пород в гравитационном поле Земли.

 

4 Гипотеза действия в массиве наряду с гравитационными сжимающих или растягивающих тектонических сил преимущественно субгоризонтальной ориентации. Создание современных инструментальных методов исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород породило серию открытий высоких горизонтальных напряжений в некоторых участках верхних слоев земной коры в пределах всех континентов. Было установлено, что горизонтальные составляющие напряжений, как правило, превышают величину вертикальной компоненты и не равны между собой. Тогда как согласно гравитационной гипотезе Динника, горизонтальные напряжения должны быть меньше вертикальных и равны во всех направлениях. Таким образом, экспериментальные результаты разошлись с предсказаниями существовавшей теории.

Повышенные горизонтальные напряжения были экспериментально зарегистрированы в период 1960-1980 гг. В геомеханической литературе принято считать, что повышенные горизонтальные напряжения впервые экспериментально обнаружил шведский геомеханик N.Hast при измерениях в Скандинавии. Высокие горизонтальные напряжения, в 5-10 раз превышающие вертикальные, зарегистрированы И.Турчаниновым, Г.Марковым, А.Козыревым и другими в апатитовых рудниках Кольского полуострова в 1966 г. Повышенные горизонтальные напряжения обнаружены С.Ватутиным, А.Шаманской, П.Егоровым на Таштагольском железорудном месторождении в Горной Шории (1966, 1967,1968). Высокие горизонтальные напряжения, регистрируются с 1968 г. А. Зубковым, А. Сашуриным и другими сотрудниками ИГД УрО РАН на ряде рудников Урала. Повышенные горизонтальные напряжения, превышающие вертикальную компоненту, установлены в пределах территории СНГ: на Душанбинском полигоне, в Джезказгане, на Урале, в горнорудных районах Средней Азии, на месторождениях Курской магнитной аномалии, на рудниках Норильска, в рудниках Забайкалья, на месторождениях Приморья. Высокие горизонтальные напряжения широко регистрировались и за рубежом: в Южной Африке, США, на территории Канады, в Европе, Японии, Китае, Корее, Скандинавии. Обзор экспериментальных данных по измерению естественных напряжений по состоянию на 1970 г. выполнен Н.Булиным, который отметил, что "в континентальных областях земной коры преобладает поле общетектонического сжатия; на участках чехла платформ и в образованиях фундамента наибольшее главное напряжение близко к вертикальному".

Поток описанных открытий в геомеханике свидетельствует о разнообразии видов напряженно-деформированного состояния массивов горных пород. Земная кора постоянно испытывает сдвиговые воздействия, связанные с ротационными эффектами и приливными волнами в литосфере, с тектоническими движениями отдельных ее участков, сейсмическими процессами, движениями магматических масс, изменениями тепловых полей. По существу земная кора представляет собой своеобразную механодинамическую систему как отмечает специалист-геомеханик А.Леонтьев, находящуюся под воздействием массовых сил различной природы, порождаемых разнопериодными процессами глобального масштаба. При этом различные типы движений земной коры накладываются друг на друга, оставляя следы своего воздействия во всей толще пород, в конечном счете отражаясь в структуре слагающих ее породных массивов.

Силы, ответственные за повышенные горизонтальные напряжения в земной коре, установленные в результате экспериментальных инструментальных измерений, специалисты-геомеханики договорились называть тектоническими силами. Их природа отлична от гравитационных. Возможность существования таких сил в земной коре впервые теоретически предсказал советский ученый академик М.Гзовский в 1954 г. Но эти результаты тогда остались незамеченными. Открытие тектонических сил, действующих в отдельных участках земной коры, привело к коренному пересмотру основ современной геомеханики. Гипотеза тектонических сил позволила по новому подойти к вопросам горного давления, к проблеме горных ударов. Стало ясно: напряжения, обусловленные тектоническими силами, рассчитать невозможно, в отличие от напряжений, связанных с гравитационными силами:

= -pgH

= Kp+T1

= Kp+T2

 

где ,,z - составляющие главных напряжений, Па;

Кр- коэффициент бокового распора (определяемый коэффициентом Пуассона);

р-плотность налегающих горных пород, кг/м3;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

Н - мощность налегающих горных пород, м;

T1, T2 - главные статические составляющие тектонических сил, Па.

 

Их необходимо измерять. Если в  условиях гравитационной гипотезы расчет исходных (начальных) напряжений был  проблематичен вследствие неоднородности свойств массивов пород, то теперь добавился непредсказуемый силовой фактор - тектонические напряжения, о природе которых мало что известно.

Наличие высоких тектонических  напряжений в пределах некоторых  месторождений полезных ископаемых потребовало от горняков учитывать этот новый природный геомеханический фактор при планировании и ведении горных работ, при выборе способов управления горным давлением. Стало очевидным, что правильно запроектировать сеть вскрывающих подготовительных выработок на новом месторождении нельзя, не изучив параметры реального поля напряжений. Дело в том, что в целях обеспечения устойчивости основных вскрывающих выработок, их необходимо располагать в направлениях, совпадающих с ориентацией максимального главного напряжения. Это обстоятельство выдвигает новые дополнительные требования к геологоразведочным службам. При разведке новых месторождений они должны, наравне с оценкой запасов и других необходимых при проектировании нового горнодобывающего предприятия данных, экспериментально оценивать параметры поля напряжений. Соответственно возникает потребность в разработке дополнительных методов ведения геологоразведочных работ, в разработке новой аппаратуры.

Стала очевидной и необходимость  определенной перестройки в проектных  организациях горного профиля. Необходимы новые подходы к размещению вскрывающих  и капитальных подготовительных выработок, а соответственно уточнения  существующих методик и руководств по проектированию и разработке новых  нормативно-проектных материалов. Необходимы уточнения в работе экспертной системы соответствующих министерств и ведомств.

 

 5 Закономерности формирования напряженно–деформированного состояния массива.

Напряженное состояние и геодинамическая  активность верхней части Земной коры, как среды обитания и техногенной деятельности человека, были всегда в центре внимания. Периодически изменяющаяся интенсивность геодинамических явлений в виде землетрясений и горных ударов красноречиво свидетельствует об изменяющемся во времени уровне напряжений в недрах. В таблице 1 и на рисунке 1 представлен перечень крупнейших землетрясений с магнитудой более 7 на фоне 11-ти и 83-95 - летних циклов солнечной активности (СА). Перечень охватывает период с 1707 по 2008 год.

Солнечная активность - это процесс изменения  совокупных структурных образований  в некоторой ограниченной области  солнечной атмосферы, связанная  с усилением в ней магнитного поля от значений 10-20 до нескольких (4-5) тысяч эрстед. В видимом свете  наиболее заметным структурным образованием активной области являются темные, резко очерченные солнечные пятна, часто образующие целые группы. Общее  число пятен и образованных ими  групп медленно меняется в течение  некоторого периода времени (цикла) от 8 до 15 лет (в среднем 10-11 лет). Важно, что наличие пятен на Солнце влияет на магнитное поле Земли, что в  свою очередь изменяет напряженно деформированное  состояние в земной коре.

В годы минимума СА Земля максимально сжата, геодинамические явления имеют  максимальную энергетику. В годы нарастания СА напряженное состояние Земной коры уменьшается и наблюдается  максимальное число геодинамических  явлений, но меньшей энергетики. В  годы максимума СА напряжения минимальны и наблюдается минимум геодинамических  явлений. В годы спада СА напряжения растут, число геодинамических явлений  со средней энергетикой увеличивается. В то же время в мировой практике нет данных об абсолютной величине пульсирующих тектонических напряжений , в земной коре в течение цикла СА. С учетом вышесказанного закономерности формирования природных напряжений в земной коре можно представить зависимостями:

 

 

 

 

 

где - природное вертикальное напряжение, МПа; g - удельный вес налегающих пород, МН/м ; H - мощность налегающих пород, м; - вертикальная статическая тектоническая сила, МПа; - изменяющийся во времени и пространстве вектор вертикальной тектонической силы, МПа; и - горизонтальные составляющие главных напряжений, МПа; и - главные статические составляющие тектонических сил, МПа; и - изменяющиеся во времени и пространстве вектора тектонических сил (пульсирующие напряжения) МПа.

Чтобы проследить изменение пульсирующих напряжений во времени можно использовать следующие методы:

  • метод натурных измерений, подразумевающий установку наблюдательных станций в подземном пространстве и на поверхности и фиксацию величины изменения напряжений в реальном времени, к примеру, с периодичностью 3-4 раза в год;
  • метод, основанный на анализе накопленных результатов измерений на различных рудниках, полученных в разное время и в различных условиях (табл. 1) [1]. Все измерения напряжений производились деформационными методами: частичной разгрузки массива [3], полной разгрузки массива [3,4], щелевой разгрузки [5] и методом частичной разгрузки на большой базе [6].

Исследование, непосредственно пульсирующих напряжений в земной коре Урала были начаты Институтом горного дела УрО РАН в 1998 г. Доя этого в рудниках были оборудованы наблюдательные деформационные станции в городах Краснотурьинск, Нижний Тагил, Березовский и Гай, соответственно на глубинах 600, 460, 700, 500 и 830 м, а также на поверхности в районе городов Среднеуральска - Верхней Пышмы. Измерения производились 3-4 раза в год.

Под землей наблюдательные станции включают 3-5 разно ориентированных реперных линий на базах 30-50 м.

При исследовании изменения тектонических напряжений нужно знать не абсолютную величину расстояния между реперами, а изменение  этого расстояния. Поэтому для  измерений была применена технология гибких нитей, позволяющая оценить  изменения базы 50 м с погрешностью не более 0.3 мм при следующих условиях (натяжение гибкой нити определяется автоматически)

  • измерения превышения одного репера над другим Dh < 2 мм (измеряется с помощью нивелира);
  • определения колебания температуры Dt < 0.2°С;
  • длины гибкой нити D = 0.1 мм.

Методика  исследования характера переменных напряжений заключалась в следующем.

  1. Выбиралась база измерения длиной Lo, относительно которой оценивали изменение длины реперной линии при последующих замерах.
  2. На каждом пункте измерения по каждому направлению реперных линий изучалось геолого-тектоническое строение участков и оценивались упругие параметры массива (Зубков, 2001):

                             (2)

где , - модули упругости массива и образца; n - число рангов геоблоков на базе реперных линий.

3. Раз в 3-4 месяца проводились измерения длины реперных линий и вычислялось их изменение.

4. По полученным изменениям длины линий Д (-) определяли относительную деформацию массива горных пород ,

5. По комбинации измерений на трех наблюдательных линиях определялись изменения величины действующих горизонтальных напряжений и азимута их действия:

 

 

 

Таблица 1

Результаты определения первоначальных напряжений  
на месторождениях полезных ископаемых

№

Город, месторождение

Дата  измерения, год

Н, м

Первоначальные  напряжения, МПа

Измеренные

Скорректированные

Горизонтальные

Вертикальные

    

D

D

     

1

Североуральск

Североуральское

1997

490

-54±13.5

-33.0±7.5

-25.0

-54

-33

-29

-8

1981

800

-58.0

-38.0

-29.0

-63

-43

-34

-14

2

Краснотурьинск,

1968

300

-10.3±2.2

-7.9±2.7

-9.0

-17

-10

-8

-1

 

Северо- Песчанское

1968

380

-13.0±2.4

-8.0±4.4

-11.3

-18

-13

-7

-2

   

1982

430

-16.3

-12.5

-15.5

-24

-15

-9

-0

   

1984

500

-21.1±2.1

-17.6±8.3

—

-25

-16

—

-

   

1988

540

-19.0±1.5

-14.5±0.8

-15±0.6

-26

-16

-10

-1

8

Кушва,

1969

125

-5.6±2.4

-2.9±4.4

-4.7±2.2

-16

-13

-10

-7

 

Валуевское

1983

380

-26.1±4.0

-21.1±8.6

-22.2±3.2

-30

-25

-8

-3

9

Кушва,

1969

170

17.7±3.4

-14.0±3.4

-5

-27

-18

-25

-13

 

Гороблагодатское

1980

260

-25.1

-18.7

-9

-38

-22

-29

-13

   

1980

600

-40.5

-21.3

-18

-51

-27

-33

-9

   

1988

760

-51

-17

-22

-56

-22

-31

-8

10

Нижний Тагил,

1970

300

-15.5

-7.9

-6.9

-16

-8

-

-

 

Лебяжинское,1

1983

510

-22.3±0.9

-19.3±0.9

-21.1±8.6

-22

-19

-

-

11

Нижний Тагил,

1983

510

-41.0±13

-37.0±7.0

-32.0±5

-54

-50

-22

-18

 

Высокогорское, 1

1983

590

-43.6±13

-39.4±7.3

-34.2±5

-57

-52

-23

-18

12

Нижний Тагил,

1977

180

-25.4±4.6

-24.2±0.6

-20.9

-30

-28

-9

-8

 

Естюнинcкое, 1

1980

220

-37.0±7.0

-28.5±7.0

-34.3±4

-67

-58

-33

-24

   

1990

340

-77.0±8.9

-55±3.4

-53±2.1

-107

-85

-54

-32

   

1994

400

-106.0

-84

-60

-120

-98

-60

-38

   

2005

460

-115

-90

-68

-130

-105

-62

-37

14

Березовский, Ш

1988

212

-9.4±1.5

-8.3±0.9

-5.9

-14

-10

-6

-2

 

Березовское Ш

1988 1988 1987 1990

314 412 512 612

-12.5±1.5 -15.3±1.3 -19.7±13.4 -21.9±2.8

-11.2±1.6 -13.8±11.4 -17.3±12.5 -19.8±12.4

-8.9

-11.5

-14.3

-17.1

-15 -18 -21 -26

-14 -16 -19 -25

-8

-7

-8

-9

-6 -6 -5 -8

19

Узельгинское, Ш

1994

550

-38.5

-37.4

-26.5

-

  

-

-

 

Узельгинекое, 1

1996

550

36.7

25.7

-20.3

-37

-26

-17

-6

   

1999

550

-36.4

-24.4

-20.6

-

-

-

-

   

1990

640

-30.5±1.5

-25.9±11.1

-18.5±11.5

-37

-32

-18

-14

23

Гай, Гайское, VI

1998

830

-39.9±4.5

-18.7±1.2

-21.8

-44

-23

-23

-2

 

Гайское,1

2004

910

-41.6

-19.8

-25

-46

-24

-21

+1

   

2008

1070

-48.7

-32.0

-33.3

-49

-32

-7

+1

24

Таштагол 1

1984

540

-45.2±8.0

-41.8±10

-20.0±4.5

-59

-54

-39

-36

   

1983

750

-52.5±7.

-45.2±3

-24.0±3.

-67

-60

-43

-36




 

, – углы, отсчитываемые от первой реперной линии ко второй и третьей против хода часовой стрелки, град.; – азимут действия D, отсчитываемый от направления по часовой стрелке, град.; – модули деформации массива, по реперным линиям, рассчитываемые по формулам (1) с учетом тектоники массива; m - коэффициент Пуассона массива; – относительная деформация массива на длине реперных линий;

  1. После статистической обработки получили средние значения D Dи азимут действия максимального сжимающего напряжения .
  2. За весь период наблюдений находили средний азимут действия D или D, который принимается за ось абсцисс X, и находили D D Dтак, чтобы средние значения Dбыли минимальными.

В г. Краснотурьинск наблюдениями с 04.1998 г. по 02.2000 г. была зафиксирована пульсация напряжений с частотой 12 месяцев и амплитудой 5-10 МПа. Затем станции были уничтожены шахтерами. Следующий цикл наблюдений начался на глубине 620 м с 01.2003 г. К 07.2008 г. зафиксирован рост сжатия массива на 6-7 МПа. В г. Нижний Тагил наблюдения на глубине 460 м ведутся с 09.1998 г. по 08.2008 г. С 1998 г. по 2001-2003 гг. сжатие массива уменьшилось на 25 МПа, а затем стало расти и это увеличение достигло 10 МПа. В г. Березовский наблюдения были начаты 10.1998 г на глубине 712 м, но к 07.2000 г. шахта была затоплена. Вновь наблюдения возобновились в 04.2003 г. на глубине 512 м. зафиксирован рост сжатия на 6 МПа. В г. Гай наблюдения на глубине 830 м ведутся с 11.1998 г. К 2001-2003 г было зафиксировано уменьшение сжатия массива на  
15 МПа, а затем начался рост сжатия на 7-15 МПа. В районе городов Верхняя Пышма - Среднеуральск на поверхности в период с 07.1998 г. по 2001-2003 гг. сжатие массива уменьшилось на 1 МПа, а к 2008 г. возросло на 0,1 МПа. Если принять, что 23-й цикл солнечной активности имел минимум в 1995-1997 гг., а следующий будет в 2008-2009 гг., то наблюдениями 1999-2008 гг. максимальное сжатие земной коры на Урале еще не зафиксировано. Поэтому, наблюдения в 2009-2011 гг. чрезвычайно важны. Прямым подтверждением активизации геодинамических явлений в период минимума солнечной активности является то, что в городе Нижний Тагил в 1994-1998 гг. произошло 30 горных ударов в шахте и техногенных землятресений на прилегающей территории по энергетике эквивалентных взрыву до 100 т ВВ. Сжатие земной коры с середины 1998 г. до середины 1999 г. уменьшилось на 25 МПа (это только часть возможной амплитуды пульсации). В результате в 1999-2002 гг. было всего лишь четыре слабых горных удара. В марте 2003 г. произошел один толчок с энергией до 60 т ВВ, М = 2.3, который привёл к уменьшению сжатия массива на 8 МПа, а через 2 месяца сжатие увеличилось на 6 МПа. В 2006 г. горный удар соответствовал 30 т ВВ, в сентябре 2007 г. имел М=3.1, а в феврале 2008 г. М=1,6.

Следует отметить, что самые крупные сейсмические события в районе шахты «Естюнинская» (г. Нижний Тагил) произошли не в шахте, а по Тимано-Кокчетавской тектонической зоне, которая расположена параллельно рудному телу на расстоянии 2-4 км от него.

На  подземном руднике в г. Гай  в ноябре 1998 г. (на глубине 830 м от дневной поверхности) и в январе 2004 г. (на глубине 910 м от дневной поверхности) были произведены измерения абсолютных величин напряжений. На шахте «Естюнинская» (г. Нижний Тагил) измерения были сделаны в марте 2005 г. В обоих случаях появилась возможность проследить изменение горизонтальных напряжений за весь период наблюдений, приняв за точку отсчета Dвремя измерения напряжений и сложив полученные их значения с измеренным приращением напряжений (рис.1).

Аналогично  построены графики изменения  горизонтальных напряжений на шахте  «Северопесчанская (г. Краснотурьинск) и шахте «Центральная» (г. Березовский) (рис. 2).

Была  проведена проверка возможности  объяснения зарегистрированного переменного  поля напряжений за счет случайных  ошибок измерения. Она выполнялась методом математической статистики с помощью проверки гипотезы о законе распределения по критерию согласия Пирсона , При этом все результаты измерения рассматривались как случайные величины. В том случае если изменчивость напряжений определяется только случайной ошибкой измерений, распределение случайных величин должно быть близко к распределению по нормальному закону. Любые другие распределения свидетельствовали бы о том, что на изменчивость величин напряжений влияют и другие факторы.


 

Рис. 1 – Графики изменения горизонтальных напряжений в массиве горных пород sх и sy. с азимутами их действия на фоне 23-го цикла солнечной активности (W) на шахты «Естюнинская» (г. Нижний Тагил) и на Гайском руднике (г. Гай)

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

Рис. 2 - Графики изменения горизонтальных напряжений:  
а) на шахте «Северопесчанская» (г. Краснотурьинск) б) на шахте «Центральная»

(г. Березовский)

 

Полученные  результаты статистической обработки  измерений позволяют с достаточной  надежностью (с вероятностью 0.95) утверждать, что зарегистрированное изменение горизонтальных напряжений во времени обусловлено не ошибками измерения, а иными причинами, например, влиянием СА.

Второй  метод определения D, основанный на анализе накопленных результатов измерения напряжений на различных рудниках, полученных в разное время, базируется на следующем. На Урале измерение первоначальных напряжений проводилось в течении 40 лет, т.е. охвачено 4 цикла СА: 20-й (1965-76 гг.), 21-й (1976-86 гг.), 22-й (1986-1996 гг.) и 23-й (1996-2008 гг.).

На  ряде рудников за этот период было сделано  по несколько измерений на разных глубинах:

- на шахте «Северопесчанская» (г. Краснотурьинск) измерения были сделаны в 1968, 1982, 1984 и 1988 годах на глубинах от 300 до 540 м;

- на шахте «Южная» (г. Кушва) в 1969,1980, и 1988 годах на глубинах от 170 до 760 м;

- на Узельгинском руднике в 1990,1994,1996 и 1999 годах на глубинах от 550 до 640 м. На этих месторождениях горизонтальные напряжения изменялись с глубиной на величину

в соответствии с изменением гравитационной составляющей. С учетом этого, накладывая циклы СА друг на друга, и результаты измерений напряжений, приведенными к одной глубине, можно получить результаты для построения графиков изменения горизонтальных напряжений в течение цикла СА. На этих графиках просматривается амплитуда изменения D, величины которых приведены в таблице 2.

Таблица 2

 

 

Участки

По измеренным 
напряжениям

По измеренным  
деформациям

  

D

ε • 104

D

ε • 104

1

Краснотурьинск 1968-82-84-88 гг.

6-8

1-3

6-7

1,0

80-100

2

Нижний Тагил 1998-2008 гг.

    

10-25

1,5-3,8

300-400

3

Кушва 1969-80-88 гг.

9-10

2,0

    

100

4

Березовский 1998-2008 гг.

    

б

1.0

105

5

Узельгинский р-к 1990-96 гг.

6-12

1,5-3

    

100-120

6

Гай 1998-2008

8-10

2,0

13

3,0

100-160

7

В-Пышма 1998-2008 гг.  
Система GPS

    

-0.3-0.6

-0.08-0.16 ср≈0

  

 

На  рисунке 2 представлен механизм определения пульсирующих напряжений на месторождениях Урала по результатам измеренных на различной глубине горизонтальных напряжений. К примеру на шахте Северопесчанская измерения на глубине Н=300 м (‍=-10.3Мпа и =-7.9 МПа) можно спроецировать на глубину Н=500 м добавив D =-0.03х200=-6 МПа, т.е. в это время на глубине Н=500 м можно было ожидать =-16.3 МПа и =-13.9 МПа.

Напряженное состояние массива горных пород 📙 Реферат → 🆔 160856

Напряженное состояние массива горных пород 📙 Реферат → 🆔 160856

Напряженное состояние массива горных пород